Java: un linguaggio di programmazione

1. Java: un linguaggio di programmazione per applicazioni multimediali e multiambiente

1.5 Veduta d'insieme delle caratteristiche di Java

Affinità con il C e il C++

La similitudine sintattica con il più diffuso linguaggio di programmazione permette un più rapido apprendimento di Java da parte dei programmatori di C e di C++. Per esempio, le istruzioni for, if, else sono del tutto analoghe a quelle del C. Inoltre, per rendere il linguaggio più semplice e lineare, sono state eliminate in Java alcune caratteristiche del C e del C++, come le funzioni di allocazione e di liberazione della memoria e l'ereditarietà multipla. Altra caratteristica di Java sono le dimensioni ridotte del software, in modo che esso possa funzionare anche su sistemi molto piccoli. L'interprete, le classi e le "librerie" Java di base non superano nel loro complesso i 250 Kbytes.

Semplicità

Il linguaggio Java è stato progettato per essere semplice. I programmatori della Sun ritengono che il C++ sia un linguaggio ridondante. Esso infatti deriva dal C, che non è orientato all'oggetto e a cui sono state aggiunte le classi al fine di creare un linguaggio orientato all'oggetto. La conseguenza di ciò è che inevitabilmente il C++ possiede caratteristiche che appartengono al C e che non rientrano nella filosofia dei linguaggi orientati all'oggetto. Per questa ragione, tutte le caratteristiche del C++ ritenute ridondanti sono state tolte da Java, in modo che quest'ultimo potesse divenire un linguaggio di programmazione più snello e facile da leggere. L'elenco che segue puntualizza le caratteristiche del C++ che mancano in Java.

Assenza del preprocessore. In Java non esistono file di include, né dichiarazioni di #define che possano generare confusione. Attraverso le dichiarazioni di #define, infatti, si possono rendere i programmi incomprensibili a chi li legge per la prima volta (si può per esempio scrivere "#define private public" generando ovviamente molta confusione). Parimenti, non è prevista neppure l'istruzione typedef.
Assenza di strutture e unioni. Esse possono essere implementate come classi contenenti le variabili volute insieme ai metodi con cui accedere a queste variabili.
Assenza di funzioni. Esse sono rimpiazzate dai metodi delle classi. Riducendo tutto a classi, si guadagna in semplicità poiché si evita di introdurre la vecchia distinzione tra procedura e funzione. Ciò permette pure di non corrompere la purezza di un linguaggio completamente orientato all'oggetto.
Assenza di ereditarietà multipla. Per ovviare alla carenza di metodi che una classe può ereditare, in Java sono state create le interfacce (interface), opportune collezioni di metodi che possono essere implementati negli oggetti.
Assenza completa del goto L'istruzione goto è usata nella pratica solo per uscire da cicli for annidati. In Java le istruzioni di break multilivello e continue eliminano completamente la necessità del goto (nonostante questo, in Java goto rimane una parola riservata).
Assenza di sovraccaricamento (overloading) degli operatori. Non ci sono mezzi per sovraccaricare gli operatori aritmetici di base. Come di consueto, si ricorre a classi con opportune variabili e metodi in grado di modificare le variabili stesse.
Assenza di forzatura automatica dei tipi. Nei casi in cui il cambiamento di tipo di un certo dato può causare perdita di informazione (per esempio quando di assegna un numero float ad una variabile di tipo int), il compilatore richiede una opportuna istruzione di cast.
Assenza di puntatori. Questa caratteristica è stata introdotta per limitare il gran numero di errori dovuti all'uso dei puntatori nella programmazione in C e C++. Del resto, in Java non c'è bisogno di puntatori, dal momento che sia le stringhe che i vettori (array) sono oggetti e le strutture non sono previste. Agli elementi degli array si accede tramite il loro indice; inoltre durante l'esecuzione di un programma è sempre controllato se l'indice dell'array eccede la dimensione dell'array stesso.

Linguaggio orientato all'oggetto (Object-oriented)

Per essere considerato orientato all'oggetto, un linguaggio di programmazione in linea di principio deve possedere almeno questi quattro requisiti:

Incapsulamento: è possibile rendere riservata o astratta parte dell'informazione.
Polimorfismo: gli stessi messaggi inviati a oggetti differenti producono effetti diversi a seconda dell'oggetto coinvolto.
Ereditarietà: si possono definire classi sulla base di altre classi.
Collegamento dinamico: gli oggetti possono provenire da qualsiasi luogo, compresa la rete. Deve essere possibile mandare messaggi agli oggetti senza conoscerne il loro tipo. Ciò è molto utile soprattutto durante l'esecuzione del programma.

Java soddisfa piuttosto bene a queste quattro esigenze. Infatti esistono le classi, le istanze delle quali costituiscono gli oggetti. Le variabili istanziate mantengono l'informazione di stato dei vari oggetti. Si può rendere riservata l'informazione attraverso la dichiarazione private, oppure la si può rendere astratta tramite la dichiarazione abstract (incapsulamento). Esiste comunicazione tra gli oggetti. I metodi posseduti da un oggetto stabiliscono il comportamento dell'oggetto stesso e manipolano le variabili istanziate della classe. In classi distinte possono esistere metodi diversi con lo stesso nome. Ogni oggetto risponde ai messaggi ricevuti secondo le caratteristiche che esso possiede (comportamento polimorfico). Da una classe possono essere create sottoclassi, le quali possiedono i metodi della classe da cui sono derivate (ereditarietà). Le classi derivate possono aggiungere nuovi metodi alla classe da cui derivano oppure possono sostituire ad essa alcuni metodi.

Infine, la neutralità all'architettura di Java permette di usare classi provenienti da tutta la rete. Siccome poi Java è un linguaggio interpretato, la fase di "link" tra le classi avviene in fase di esecuzione dei programmi (dinamic binding), consentendo una elasticità notevole per quanto riguarda l'utilizzo degli oggetti.

Il fatto che Java sia un linguaggio interpretato, però, costituisce un serio svantaggio in termini di velocità di esecuzione. Ciò può essere accettato quando si opera in ambiente WWW, poiché il caricamento e il collegamento di classi in fase di esecuzione consente un effettivo utilizzo di risorse distribuite su tutta le rete. Però, come linguaggio indipendente dal WWW, Java dovrebbe essere fornito pure di un compilatore in grado di produrre programmi direttamente eseguibili. Per quanto riguarda gli aspetti esteriori, la programmazione a oggetti in Java ricalca da vicino quella del C++. A differenza del C++, però, in Java qualsiasi cosa a cui si può fare riferimento è una classe. Fanno eccezione a questo solo pochi elementi strutturali come gli interi (int), i caratteri (char), i numeri in doppia precisione (double), etc. che non sono classi.

Oltre al C++, Java ha ereditato alcune fra le caratteristiche più rilevanti degli altri linguaggi di programmazione ad oggetti: Eiffel (garbage collection), Objective C (assenza di sovraccaricamento degli operatori, assenza di ereditarietà multipla), Smalltalk (il capostipite dei linguaggi orientati all'oggetto sviluppato dalla Xerox nel 1972; esso possiede ampie librerie di classi).

Gestione automatica della memoria

In ogni programma Java è sempre attivo lo automatic garbage collection, un thread a bassa priorità che provvede ad analizzare la memoria e a liberare quella che non è utilizzata. In Java quindi esiste soltanto la possibilità di allocare memoria attraverso la creazione di oggetti mediante l'istruzione new, similmente al C++. E' assente invece la funzione free, come pure le funzioni malloc, calloc e realloc. Una volta che un oggetto è stato creato, il garbage collection in fase di esecuzione osserva la vita dell'oggetto e provvede a liberare la memoria occupata quando essa non viene più utilizzata dall'oggetto in questione. Per esempio, il garbage collection provvede a liberare la memoria occupata da un oggetto creato in un metodo una volta che il medesimo metodo termina la sua esecuzione. Siccome si può allocare memoria solo con oggetti, il controllo degli oggetti è sufficiente a gestire con buona efficienza la memoria stessa. Ciò solleva il programmatore dal provvedere alla gestione della memoria, compito questo che in C e C++ conduce spesso all'introdurre errori che si verificano in fase di esecuzione dei programmi.

Neutralità all'architettura

La neutralità dell'architettura rappresenta una caratteristica importante in un mondo informatico sempre maggiormente popolato dai più svariati sistemi hardware e sistemi operativi. Con la fortissima crescita delle reti telematiche questa esigenza è divenuta ancora più pressante. Inoltre, per sviluppare prodotti software per il WWW, la neutralità dall'architettura costituisce un parametro assolutamente indispensabile.

Al fine di raggiungere la neutralità dall'architettura, Java affida l'esecuzione dei suoi programmi ad una macchina virtuale. Più specificatamente, un sorgente Java viene tradotto dal compilatore Java (Javac) non in istruzioni macchina reali, ma in istruzioi macchina virtuali, i bytecodes. Sarà compito poi della macchina virtuale Java (l'interprete Java) di leggere ed eseguire queste istruzioni tramite la generazione "on the fly" del codice macchina reale specifico per il sistema su cui il programma Java viene eseguito.

Sorgente Java => compilatore Java => bytecodes => interprete Java => codice macchina specifico

I programmi Java quindi non hanno bisogno di alcun riadattamento quando vengono portati su sistemi differenti da quelli su cui sono stati sviluppati. I bytecodes rappresentano un codice macchina virtuale di elevata astrazione in modo che possano trovare una rappresentazione reale su ogni macchina. I programmi Java compilati in bytecodes possono viaggiare attraverso reti telematiche ed essere eseguiti sulle macchine provviste dell'interprete Java. Quest'ultimo è incluso nelle ultime versioni di Netscape Navigator (release 2.0 o superiore), il quale è quindi in grado di interpretare particolari programmi Java (applet) e visualizzare l'uscita di questi programmi nella propria finestra.

Linguaggio robusto

L'assenza di puntatori, il fatto che stringhe e array siano oggetti e la gestione automatica della memoria conferiscono ad Java una robustezza particolare. Oltre a ciò, il compilatore Java individua molte situazioni in cui un programma potrebbe provocare problemi.

Dinamicità

Essendo Java un linguaggio interpretato, le classi di Java vengono caricate e "linkate" durante l'esecuzione. Ciò permette di risolvere alcuni fastidiosi problemi presenti nel C++, come quello chiamato problema della "Superclasse fragile". Quando in C++ si aggiorna una classe, per esempio introducendo in essa nuove variabili, tutte le altre classi che fanno riferirimento alla classe modificata devono essere ricompilate. Java, invece, permette di aggiornare le "librerie" di classi senza costringere gli utenti alla ricompilazione dei programmi. Alle classi in "libreria" si possono infatti aggiungere metodi e variabili senza che questo abbia effetto sui vecchi programmi. Ciò è possibile grazie al fatto che ogni classe in Java ha anche una rappresentazione "runtime" (bytecodes), la quale permette di individuare comunque il tipo di oggetti che l'utente richiede (in C++ per accedere ad un oggetto, è necessario non solo conoscere il puntatore a quell'oggetto, ma anche sapere di che oggetto si tratta; in Java, invece, l'utente possiede anche un modulo "runtime" della classe, il quale permette di accedere all'oggetto).

Il caricamento e il "linkaggio" dinamico delle classi risultano pure molto utili in un ambiente distribuito, poiché durante l'esecuzione di un programma gli oggetti possono essere richiesti da tutta la rete.

Ovviamente, il fatto che Java sia interpretato comporta anche degli svantaggi (vedi il praragrafo precedente "Linguaggio orientato all'oggetto").

Sicurezza

Siccome Java è stato progettato per funzionare in ambienti distribuiti o di rete, la sicurezza è un parametro molto importante. Si pensi per esempio alla possibilità che qualche malintenzionato scriva in Java programmi che arrecano danni al sistema, come virus informatici. Nell'ambiente del WWW ciò risulterebbe ancor più pericoloso, dal momento che gli applet vengono scaricati automaticamente durante la navigazione in Internet.

In fatto di sicurezza, Java offre innanzitutto la sue caratteristiche strutturali: gestione automatica della memoria in fase di esecuzione dei programmi e assenza di puntatori. Oltre a ciò, Java è stato dotato di altre caratteristiche che provvedono ad aumentarne la sicurezza. L'elenco che segue puntualizza queste caratteristiche.

Verifica dei bytecodes. Prima di eseguire i bytecodes, l'interprete Java provvede a verificare se essi contengono istruzioni che violano alcune norme di sicurezza. Una verifica analoga viene eseguita pure in fase di compilazione, ma ciò ovviamente non è sufficiente. Infatti, i bytecodes ricevuti da ogni parte del mondo possono provenire da compilatori opportunamente modificati che sorvolano sulle istruzioni che producono danni al sistema. Si rende perciò necessaria anche una verifica in fase di esecuzione da parte dell'interprete. Essa provvede ad appurare se:
- vi sia forzatura di puntatori (per esempio, un puntatore ad un intero viene fatto puntare ad un float);
- vi sia violazione delle restrizioni di accesso alle risorse del sistema (p.e. accesso a particolari file);
- gli oggetti non siano usati appropriatamente, ovvero per gli scopi per i quali non sono stati progettati;
- vi siamo chiamate ai metodi delle classi non con gli argomenti del tipo appropriato;
- vi sia overflow dello stack.
In questo compito di verifica, l'interprete fa uso dell'informazione aggiuntiva che il linguaggio macchina virtuale Java porta con sé. Per esempio, il caricamento nello stack di un intero e di un puntatore, che all'atto pratico sono la stessa cosa (sono entrambi numeri a 32 bit), è eseguita da due istruzioni macchina differenti (aload e iload). Inoltre, lo stato dello stack (ovvero i tipi di variabili che esso contiene) è conosciuto ancor prima che i programmi vengano eseguiti. Infatti non esistono istruzioni macchina che diano un risultato ambiguo, ovvero dato il tipo delle variabili di ingresso, è unicamente stabilito il tipo di variabile all'uscita. Per esempio, l'istruzione iadd addiziona due interi e produce sempre un intero. Ciò comporta che due percorsi di esecuzione uguali debbano generare alla fine della loro esecuzione lo stesso stato dello stack. Altri linguaggi di programmazione device-independent come il Postscript (usato dalle stampanti evolute) non hanno questa caratteristica. Se i bytecodes passano la verifica iniziale prima dell'esecuzione, si ha la certezza che non vengano compiute operazioni pericolose, come estrarre informazioni da una variabile privata per mezzo di qualche cast strano. Questo è importante, perché una variabile privata può contenere dati riservati, come il numero di carta di credito durante una transazione commerciale on-line.
Verifica durante il caricamento delle classi. Un programma Java normalmente durante la sua esecuzione fa riferimento ad un certo numero di classi. Quest'ultime possono risiedere sia sul sistema che esegue il programma, sia essere importate dalla rete. L'interprete Java tiene sempre ben distinti questi due generi di classi. Prima di caricare un classe dall'esterno, l'interprete si assicura sempre che essa non sia presente sul sistema locale. In questo modo non si verifica mai che una classe standard presente sul sistema locale sia scambiata con una classe importata dall'esterno.
Interfacciamento sicuro con i protocolli Internet. Java dà la possibilità di scambiare informazione interfacciandosi con i vari protocolli Internet (FTP, HTTP, Telnet, etc.). La comunicazione attraverso questi protocolli può essere stabilita con svariati livelli di sicurezza. Per esempio, è possibile disabilitare tutti gli accessi alla rete, oppure abilitare l'accesso solo agli host da cui è già stato importato del codice, etc.

Infine, come estremo mezzo per garantire la sicurezza, si può provvedere a implementare una autenticazione dei bytecodes attraverso metodi di crittografia a chiave pubblica.

Linguaggio distribuito

Java possiede molte librerie (class java.net.*) che permettono facilmente l'accesso a risorse remote tramite protocolli basati sul TCP/IP, come lo HTTP. Tramite URL (class java.net.URL) una applicazione Java può accedere a oggetti remoti come se essi fossero collocati su file presenti nel sistema ove essa funziona.

Linguaggio multi-threated

Una delle classi che fanno parte delle librerie standard di Java è la classe Thread. Essa possiede tutti i metodi necessari per far partire contemporaneamente più thread in un unico programma Java, nonché di arrestare gli stessi thread, di farli ripartire e fornire indicazioni sul loro stato. Java gestisce i vari thread in maniera preventiva (pre-emptive), ovvero essi possono essere controllati completamente. Un thread può essere interrotto in qualsiasi momento e al suo posto può partire un altro thread. A seconda del sistema su cui sono implementati, i thread possono essere anche regolati dal time-slice. Per aumentare la velocità di esecuzione in compiti particolarmente gravosi, è possibile anche sospendere il controllo di un thread per mezzo del metodo yield.

Attraverso l'istruzione synchronized è possibile mandare in esecuzione più metodi che accedono alle stesse variabili istanziate senza che vi sia il pericolo che il valore delle variabili a cui un metodo in esecuzione sta accedendo sia cambiato da un altro metodo. Più in generale, attraverso l'istruzione synchronized si impone che lo stato di un oggetto sia cambiato solo da un metodo alla volta. Buona parte delle caratteristiche multi-thread di Java sono state fornite dai linguaggi di programmazione Mesa e Cedar (un superset del Mesa, sempre implementato dalla Xerox).

Ampie librerie di classi di base Il sistema Java di base fornisce le librerie di classi adatte a sviluppare numerose applicazioni di qualsiasi genere. I principali gruppi delle classi fondamentali sono:

java.lang: tipi di base sempre importati in ogni programma. Per esempio qui si trovano la dichiarazione di Object (superclasse di tutte le classi) e la dichiarazione del tipo Class, che serve per creare una classe di qualunque genere.
java.io: librerie di classi adatte per gestire stream di dati e accesso casuale ai file.
java.net: librerie di classi che provvedono a gestire socket, interfacce telnet, URL.
java.util: librerie di utilità varie, come data, orologio, tecniche di codifica e decodifica, etc.
java.awt: Abstract Windowing Toolkit. libreria di classi adatta a sviluppare applicazioni per ambienti a finestra. Contiene interfacce grafiche standard come gestione degli eventi, colori, barre di scorrimento e pulsanti.

Interazione con i browser per Internet

Java possiede una classe apposita (class applet) che permette di inserire in un documento HTML riferimenti ad applicativi (applet) che possono essere eseguiti a distanza da un browser adatto, come lo specifico HotJava della Sun, o, ultimamente, anche Netscape. Il fatto che anche la società Netscape abbia adottato Java dà garanzie sulla diffusione in futuro del nuovo linguaggio di programmazione sviluppato dalla Sun. Essendo il browser Netscape il più usato in tutto il mondo, Java potrebbe divenire uno standard per inserire nei documenti HTML programmi eseguibili di ogni tipo che generano la loro uscita direttamente nella finestra del browser.

Si noti che, a differenza dei programmi richiamati tramite la tradizionale interfaccia CGI, i programmi applet sono eseguiti dal client e non dal server. Ciò consente di scrivere programmi che richiedono anche tempi di esecuzione lunghi (come animazione, o calcoli matematici), poiché la macchina impegnata è quella del client e quindi il server si accolla solo la parte del lavoro che riguarda la trasmissione dei bytecodes (programma Java compilato). Tutto ciò rappresenta pure una garanzia di sicurezza per il server, che si limita ad inviare solo dei dati (i bytecodes), e non concede a client remoti di eseguire programmi sul server stesso. Inoltre, l'uscita di un programma applet viene visualizzata direttamente nella finestra del browser. Ciò è molto importante, poiché essa non è limitata, come nell'interfaccia CGI, ad essere di tipo MIME allo scopo di essere trasmessa con il protocollo HTTP. Si ricordi infine che per la manipolazione di un tipo MIME, spesso il browser si deve appoggiare ad altri applicativi (come avviene per filmati MPEG e file audio di vario formato). La classe applet invece provvede già a fornire i metodi necessari per implementare l'animazione e la manipolazione dei messaggi sonori da parte del browser.

Prestazioni

Sebbene la velocità del linguaggio interpretato Java sia sufficiente per molte applicazioni, può essere necessario ottenere una velocità maggiore. Se i bytecodes vengono trasformati completamente in codice macchina, i ricercatori della SUN assicurano che si ottengono prestazioni analoghe a quelle fornite dai programmi implementati in C e C++.